CN112096653B - 叶片缘板、叶片环、叶轮盘以及燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片缘板、叶片环、叶轮盘以及燃气涡轮发动机。其中，所述叶片缘板包括一对侧边以及一对底边，所述侧边在其延伸方向包括直线段以及弧线段，所述直线段包括第一直线段，第二直线段，所述弧线段包括第一弧段、第二弧段；其中，所述第一直线段、第二直线段分别连接所述弧线段的两端，并于所述弧线段相切，所述弧线段的所述第一弧段与所述第二弧段的斜率同向，并且所述第一弧段与所述第二弧段外切连接。所述叶片缘板的有益效果在于避免了采用现有技术方案将导致的工作状态下缘板间挤压咬死，或者叶片周向间隙检测及动平衡试验的试验结构精度不足等问题。

Description

叶片缘板、叶片环、叶轮盘以及燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及叶轮机械领域，尤其涉及一种叶片缘板、叶片环、叶轮盘以及燃气涡轮发动机。

背景技术

叶轮机械，以燃气涡轮发动机的高压压气机为例，如图1以及图5所示的，叶片环10的叶片可以通过周向榫头安装于压气机盘2的榫槽中，榫头与榫槽的定位基准如图5所示的基准线T，榫头与榫槽之间具有接触区M，形成叶轮盘。叶片带有缘板以适应流道，发动机工作中叶片的缘板需有一定的周向间隙，以保证在离心力的作用下叶片的榫头贴合在轮盘榫槽工作面上传递载荷。叶片环10中的多个叶片会累积周向间隙，例如图1所示的，叶片环10的周向两端的首端叶片缘板1、末端叶片缘板5累积有设计周向间隙W。

由于燃气涡轮发动机对于高效率高裕度高压压气机的要求，需要设置更多的叶片，即叶片的稠度需要提高，以及加大扭角加强转子叶片做功能力，对于高稠度、大安装角、周向燕尾榫头叶片缘板通常需要成斜缘板结构，即例如图1、图2所示的平行四边形的结构，即图2所示的，缘板角度α无法设为90°的直角缘板结构，如此才能放置足够多的叶片以及实现大安装角。

但是，由于设置斜缘板，如图2至图4所示的，发明人在完成本发明的过程中发现，在外力作用下，例如进行转子不平衡试验时，叶片发生扭转角度为B的扭转，相邻叶片相互挤压并相对榫头中心P产生力偶N（N=H*cosα*F，其中，H为缘板宽度，α为缘板角度，F为相邻叶片缘板之间的挤压力）使叶片绕榫头中心P转动，相邻叶片的缘板间产生缝隙C，由于缘板呈直线斜率k(k=tanα=constant)为一常量，扭转后叶片缘板相互间不发生干涉，可沿同一方向S移动，使得首端叶片缘板1、末端叶片缘板5的周向间隙增大至实际周向间隙W’=W+n*C（n为叶片数）。

由于实际周向间隙W’与设计周向间隙W不一致，影响缘板周向间隙检测及动平衡精度，例如进行转子动平衡试验无法真实反映转子剩余动不平衡量，对发动机运转带来较大的安全隐患。

因此，为了得到真实反映转子动不平衡量的试验结构，现有技术的试验方法之一是通过修配或换装不同缘板宽度的叶片，消除缝隙C带来的影响，从而使得即使发生扭转也保证实际周向间隙W’与设计周向间隙W相等。但是，发明人在完成本发明的过程中发现，这会导致叶片环10在实际工作中周向间隙W不足，导致相邻的叶片缘板相互挤压，工作中叶片榫头不能完全贴合在轮盘榫槽工作面上，在离心力及气动力共同作用下缘板发生角向扭转，首先叶片榫头与榫槽由面接触变成点、线接触恶化了轮盘榫槽受力状态；同时改变了叶片安装角，导致通流面积发生变化影响气动性能；随着转速提高，在高温高压工作环境下叶片缘板相互贴合挤压进而咬死，分解中常常出现叶片缘板卡死现象，需用较大外力敲击使其松动后才能进行分解。

现有技术中的方案还包括，如图5至图7所示的，在压气机盘与叶片缘板连接区域，即叶片缘板的边缘部以及压气机盘的边缘部的一侧或者两侧设置凸台限位结构，例如图6所示的在压气机盘的榫槽的边缘部21一侧设置第一榫槽凸台31，叶片缘板的边缘部11设置第一缘板凸台32，两者构成第一凸台限位结构3，又例如图7所示的，在两侧分别设置第一凸台限位结构3、第二凸台限位结构4，并尽量减小叶片缘板与凸台的间隙G，以限制叶片角向扭转的角度，但由于间隙G的存在，同样会存在实际周向间隙W’与设计周向间隙W不一致的问题。

现有技术的方案还包括，在相邻的叶片缘板之间采用中间锁定件以及所述结构进行紧固连接。但如此使得叶片环的结构更为复杂，并且中间锁定件的强度要求也较高，才能保证紧固连接的可靠性。

因此，本领域需要一种叶片结构，以克服叶片角向扭转产生的叶片周向间隙检测及动平衡试验的试验结果精度不足等问题，并且使得叶片环在工作状态下缘板间不再挤压咬死，提高压气机以及燃气涡轮发动机的稳定性以及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片缘板。

本发明的目的在于提供一种叶片环。

本发明的目的在于提供一种叶轮盘。

本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机。

根据本发明一个方面的一种叶片缘板，包括一对侧边以及一对底边，所述侧边在其延伸方向包括直线段以及弧线段，所述直线段包括第一直线段，第二直线段，所述弧线段包括第一弧段、第二弧段；其中，所述第一直线段、第二直线段分别连接所述弧线段的两端，并于所述弧线段相切，所述弧线段的所述第一弧段与所述第二弧段的斜率同向，并且所述第一弧段与所述第二弧段外切连接。

在所述叶片缘板的一个或多个实施例中，所述第一弧段还与所述第一直线段相切，所述第二弧段还与所述第二直线段相切。

在所述叶片缘板的一个或多个实施例中，所述第一直线段、第二直线段分别与各自连接的底边垂直。

在所述叶片缘板的一个或多个实施例中，所述一对底边同一侧端点的连线与所述底边的夹角为第一夹角，所述第一夹角为锐角。

在所述叶片缘板的一个或多个实施例中，所述叶片缘板的边缘部与所述叶片缘板的主体部平齐，构成平板结构。

根据本发明一个方面的一种叶片环，包括多个叶片，每个叶片包括以上任意一项所述的叶片缘板，一对侧边的各个侧边的结构相同，相邻的叶片的所述叶片缘板的侧边结构相同。

在所述叶片环的一个或多个实施例中，在所述叶片环的受离心力作用下，相邻的所述叶片绕其榫头中心角向转动相同的角度，使得相邻的所述叶片缘板的侧边的所述第一弧段以及所述第二弧段脱离而构成非接触结构，所述非接触结构之间的间隙非均匀，相邻的所述叶片缘板的侧边的第一直线段与所述第二直线段相抵靠连接，叶片环在周向首末两端的所述叶片缘板之间不具有中间锁定件。

根据本发明一个方面的一种叶轮盘，叶片环以及叶盘，所述叶片环与叶盘通过榫槽结构连接，所述叶片环为以上任意一项所述的叶片环。

在所述叶轮盘的一个或多个实施例中，所述叶盘的榫槽的边缘部与所述叶盘的榫槽的主体部平齐。

根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括风扇、压气机以及涡轮，所述风扇，和/或压气机，和/或所述涡轮包括如以上任意一项所述的叶轮盘。

综上，本发明的进步效果包括但不限于：

通过侧边具有直线段与圆弧段，以及第一弧段、第二弧段斜率同向，两者相切的结构，使得叶片受外力发生绕榫头中心P角向扭转时，由于弧段各处的斜率不等，使得相邻的缘板间不会产生均匀的间隙导致相邻的叶片沿同一方向移动，使得相邻的缘板只能有一个固定的角向位置，从而使得在周向间隙检测及动平衡试验时实际周向间隙W’等于设计周向间隙W，避免了采用现有技术方案将导致的工作状态下缘板间挤压咬死，或者叶片周向间隙检测及动平衡试验的试验结构精度不足等问题，也保证了叶片榫头完全贴合压紧在轮盘榫槽工作面上有效地传递载荷，叶片安装角符合设计要求，保证燃气涡轮发动机中对于压气机高效率高裕度的需求，进而增加燃气涡轮发发动机的效率以及安全裕度。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是根据现有技术的叶片环的局部结构示意图。

图2是现有技术的叶片缘板的结构示意图。

图3以及图4是现有技术的叶片环在外力作用下的结构示意图。

图5以及图6是现有技术的叶片与叶盘的榫槽单侧具有凸台限位结构的示意图。

图7是现有技术的叶片与叶盘的榫槽两侧具有凸台限位结构的示意图。

图8是根据一实施例的叶片环的局部结构示意图。

图9是根据图8实施例的叶片环的叶片的结构示意图。

图10以及图11是根据图8实施例的叶片环的叶片结构示意图。

图12是一实施例的叶片与叶盘的榫槽的连接结构与根据图6的现有技术的限位结构的对比示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

下述实施例中，叶轮盘以燃气涡轮发动机的高压压气机的叶轮盘为例，但不以此为限，例如本案也可以应用至燃气涡轮发动机的涡轮盘，甚至风扇盘，均不以此为限，只要是叶片环的叶片通过叶片榫头与叶盘的榫槽通过榫头-榫槽连接结构即可。

参考图8以及图9所示的，在一些实施例中，叶片环100通过榫槽连接安装与叶盘2。叶片环100具有多个叶片，相邻的叶片缘板以第一叶片缘板7、第二叶片缘板8为例，叶片环100在周向两端的叶片缘板分别为第一叶片缘板7以及第三叶片缘板6。

以第一叶片缘板7为例，如图9所示的，包括一对侧边71、72以及一对底边73、74，即第一侧边71、第二侧边72，以及第一底边73、第二底边74。以第一侧边71为例，第一侧边71在其延伸方向包括直线段700以及弧线段800，直线段700包括第一直线段701，第二直线段702，弧线段800包括第一弧段801、第二弧段802，两者的圆心分别为第一弧段圆心O1、第二弧段圆心O2；相对应地，在第二侧边72弧线段的圆心分别为第三弧段圆心O1’、第四弧段圆心O2’，第一侧边71受到的相邻的叶片缘板的挤压力为第一挤压力F1，第二侧边72受到的相邻的叶片缘板的挤压力为第二挤压力F1’，l为叶片缘板的长度。其中，第一直线段701、第二直线段702分别连接弧线段800的两端，并于弧线段800相切，例如图9所示的第一直线段701在第一弧段801的一端与其连接并相切，第二直线段702在第二弧段802的一端与其连接并相切。而弧线段800的结构为第一弧段801与第二弧段802的斜率同向，并且第一弧段801与第二弧段802外切连接。第一弧段801与第二弧段802的斜率同向，即：

或者

其中，Arc1为第一弧段801，k1即为第一弧段801的斜率，Arc2为第二弧段802，k2即为第二弧段802的斜率。

结合参考图10至图11所示的，采用以上实施例的有益效果在于，可以克服如图3以及图4所示的采用平行四边形的斜缘板导致的实际周向间隙W’与设计周向间隙W不一致的问题，从而避免采用通过修配或换装不同缘板宽度的叶片导致工作状态下缘板间挤压咬死的问题，同时也保证了叶片榫头完全贴合压紧在轮盘榫槽工作面上有效地传递载荷，叶片安装角符合设计要求，保证燃气涡轮发动机中对于压气机高效率高裕度的需求，进而增加燃气涡轮发发动机的效率以及安全裕度。也无需如现有技术的方案在周向首末两端的叶片缘板之间设置有中间锁定件进行紧固连接，使得叶片环的结构简单、加工制造成本低。

取得以上有益效果的原理如图9至图11所示的，在叶片环的受离心力作用下，相邻的第一叶片缘板7、第二叶片缘板8绕其榫头中心角向转动相同的角度，使得第一叶片缘板7、第二叶片缘板8的侧边的第一弧段以及第二弧段脱离而构成非接触结构，由于弧段结构中各处的斜率不同，因此第一叶片缘板7的弧线段绕榫头中心P角向扭转时与相邻的第二叶片缘板8的弧线段脱离而形成非接触结构，并且由于弧线段的设置，使得相邻的第一叶片缘板7、第二叶片缘板8的非接触结构之间的间隙非均匀，且第一叶片缘板7、第二叶片缘板8侧边的第一直线段与所述第二直线段相抵靠连接，如图10以及图11所示的在位置E、位置F抵靠连接，使得第一叶片缘板7、第二叶片缘板8的非接触结构之间不会具有均匀的间隙导致第一叶片缘板7、第二叶片缘板8如图3以及图4所示的沿同一方向S移动，从而避免实际周向间隙W’与设计周向间隙W不一致，由于不会导致角向扭转积累更大的周向间隙，从而也无需采用中间锁定件将周向首末两端的叶片缘板紧固连接。

本领域技术人员可以理解到，以上介绍的弧线段应作广义的理解，并不限于图8至图11所示的圆弧形的狭义的理解，只需满足各处的斜率不相等即可。

继续参考图8至图11所示的，在一个或者多个实施例中，叶片缘板的具体结构可以是直线段700第一直线段701、第二直线段702分别与各自连接的第二底边74、第一底边73垂直，如此可以使得在位置E、位置F的抵靠连接更为稳定。而类似于现有技术的，如图9所示，叶片缘板的第一底边73、第二底边74在同一侧端点的连线L1、L2与底边的夹角为锐角，类似于现有技术设置斜缘板的效果，可以使得叶片的稠度以及安装角更高。继续参考图8至图11，对于叶片环100的单个叶片而言，一对侧边的各个侧边的结构相同，而对于多个叶片而言，其每个缘板的侧边的结构均相同，如此可以简化加工工艺，也可以降低设计难度。

参考图6以及图12，在一些实施例中，承上所述的，采用以上实施例的叶片缘板可以无需如图6一般设置凸台限位结构，即如图12虚线部分所示的，相比于图6而言，叶片缘板的边缘部110与叶片缘板的主体部111平齐，使得叶片缘板近似于构成平板结构，而叶盘2的榫槽的边缘部210与叶盘2的榫槽的主体部211也可以是平齐的，如此可以降低叶片缘板以及叶盘的加工制造成本。

承上可知的，在转子不平衡测试中，采用以上实施例的叶片缘板的叶轮盘，可以直接进行转子不平衡测试，无需如现有技术一般需要在测试过程中采用修配或换装不同缘板宽度的叶片的步骤以保持实际周向间隙W’与设计周向间隙W一致，因此采用以上实施例的叶轮盘进行转子不平衡测试，不仅可以使得测试结果准确，还可以简化测试的过程。

综上，采用上述实施例提供的叶片缘板、叶片环、叶轮盘以及燃气涡轮发动机的有益效果在于，通过侧边具有直线段与圆弧段，以及第一弧段、第二弧段斜率同向，两者相切的结构，使得叶片受外力发生绕榫头中心P角向扭转时，由于弧段各处的斜率不等，使得相邻的缘板间不会产生均匀的间隙导致相邻的叶片沿同一方向移动，使得相邻的缘板只能有一个固定的角向位置，从而使得在周向间隙检测及动平衡试验时实际周向间隙W’等于设计周向间隙W，避免了采用现有技术方案将导致的工作状态下缘板间挤压咬死，或者叶片周向间隙检测及动平衡试验的试验结构精度不足等问题，也保证了叶片榫头完全贴合压紧在轮盘榫槽工作面上有效地传递载荷，叶片安装角符合设计要求，保证燃气涡轮发动机中对于压气机高效率高裕度的需求，进而增加燃气涡轮发发动机的效率以及安全裕度。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种叶片缘板，包括一对侧边以及一对底边，其特征在于：

所述侧边在其延伸方向包括直线段以及弧线段，所述直线段包括第一直线段、第二直线段，所述弧线段包括第一弧段、第二弧段；

其中，所述第一直线段、第二直线段分别连接所述弧线段的两端，并与所述弧线段相切，所述弧线段的所述第一弧段与所述第二弧段的斜率同向，并且所述第一弧段与所述第二弧段外切连接。

2.如权利要求1所述的叶片缘板，其特征在于，所述第一弧段还与所述第一直线段相切，所述第二弧段还与所述第二直线段相切。

3.如权利要求1所述的叶片缘板，其特征在于，所述第一直线段、第二直线段分别与各自连接的底边垂直。

4.如权利要求1所述的叶片缘板，其特征在于，所述叶片缘板的边缘部与所述叶片缘板的主体部平齐，构成平板结构。

5.一种叶片环，包括多个叶片，每个叶片包括如权利要求1-4任意一项所述的叶片缘板，其特征在于，一对侧边的各个侧边的结构相同，相邻的叶片的所述叶片缘板的侧边结构相同。

6.如权利要求5所述的叶片环，其特征在于，在所述叶片环的受离心力作用下，相邻的所述叶片绕各自的榫头中心转动相同的角度，使得相邻的所述叶片缘板的侧边的所述第一弧段以及所述第二弧段脱离而构成非接触结构，所述非接触结构之间的间隙非均匀，相邻的所述叶片缘板的侧边的第一直线段与所述第二直线段相抵靠连接，叶片环在周向首末两端的所述叶片缘板之间不具有中间锁定件。

7.一种叶轮盘，包括叶片环以及叶盘，所述叶片环与叶盘通过榫槽结构连接，其特征在于，所述叶片环为权利要求5或6所述的叶片环。

8.如权利要求7所述的叶轮盘，其特征在于，所述叶盘的榫槽的边缘部与所述叶盘的榫槽的主体部平齐。

9.一种燃气涡轮发动机，包括风扇、压气机以及涡轮，其特征在于，所述风扇和/或压气机和/或所述涡轮包括如权利要求7或8所述的叶轮盘。

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